Mineral ve Fiber İçeren Polimer Betonların Plaka

Süleyman Demirel Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi
Suleyman Demirel University
Journal of Natural and Applied Science
19(1), 27-33, 2015
Mineral ve Fiber İçeren Polimer Betonların Plaka Sıcaklıklarına Bağlı Isı İletkenlik
Katsayılarının İncelenmesi
Cengiz ÖZEL*1, Murat KORU2, Yüksel BAYRAM3
Demirel Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İnşaat Mühendisliği, 32200, Isparta
2Süleyman Demirel Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Enerji Sistemleri Mühendisliği, 32200, Isparta
3Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yapı Eğitimi Anabilim Dalı, 32200, Isparta
1Süleyman
(Alınış Tarihi: 06.01.2015, Kabul Tarihi: 01.03.2015)
Anahtar Kelimeler
Polimer beton,
Isı iletim katsayısı,
Plaka sıcaklıkları,
Mineral,
Fiber
Özet: Polimer beton (PC) özellikle yüksek mukavemet ve kimyasal direncin gerekli
olduğu yerlerde, onarım-güçlendirme işleri ve prefabrike sektörü başta olmak
üzere inşaatın değişik dallarında giderek daha fazla uygulama alanı bulmaktadır.
Bu çalışmada ısı iletkenlik katsayısı ölçüm cihazının farklı plaka sıcaklıkları ve
polimer betonun farklı karışım bileşenlerine göre ısı iletim katsayılarının değişimi
incelenmiştir. Bağlayıcı (matris) olarak iki farklı reçine (polyester ve vinilester),
faz malzeme (dolgu) olarak ise mineral “kum” ve polipropilenin kullanıldığı
polimer betonlar üretilmiştir. Polimer betonun ısı iletim katsayısı her bir faz
malzemesi için üç farklı oranda kullanıldığı polimer betonlar üzerinde ve 5 farklı
plaka sıcaklığında (ısı akısı için soğuk ve sıcak plakaların ortalama sıcaklıkları
-10, 10, 20, 30, 50 oC) belirlenmiştir.
Deneyler sonucunda, polimer betonun ısı iletim katsayısının geleneksel betona
göre 5 ile 6 kat daha düşük olduğu gözlenmiştir. Polimer beton, ısı yalıtımı için
daha uygun bir davranış göstermiştir. Çalışma sonucunda faz malzeme oranının
artmasıyla ve/veya plaka sıcaklıklarının artmasıyla ısı iletkenlik katsayısı arttığı,
ısı iletkenlik katsayısının ortam sıcaklığı, polimer beton bileşen ve bileşen
oranlarına göre değiştiği sonucuna varılmıştır.
Investigation of Thermal Conductivity Depend on Plate Temperatures of Polymer Concrete
Containing Mineral and Fiber
Keywords
Polymer concrete,
Thermal conductivity,
Plate temperatures,
Mineral,
Fiber
* İlgili yazar: [email protected]
Abstract: Polymer concretes (PC) finds many application fields in civil
engineering, especially the requirements on chemical resistance and high
mechanical strength, repairing-retrofitting and precast industry. The thermal
conductivity “λ” properties of PC were investigated according to different mix
components
of
PC
and
different
plate temperatures
of thermal
conductivity apparatus, in this study. PC was produced with two different types of
resins (polyester and vinylester) as binder (matrix) and two different types of
phase materials (mineral “sand” and polypropylene fibers) as fillers. The thermal
conductivity properties of PC were determined by varying the level of phase
materials (three rates for each phase material) and by varying the plate
temperatures of apparatus (average temperatures of hot and cold plate for heat
flow are -10, 10, 20, 30, 50 oC).
It was observed that the thermal conductivity properties of traditional concrete
were approximately five to six times higher than that of the PC. It has been shown
that polymer concrete is an appropriate material with respect to heat isolation. It
was concluded that thermal conductivity coefficients are increases when the ratios
of phase material and/or plate temperatures are increases. It was concluded that
the thermal conductivity coefficients are changes depend on ambient temperature
conditions along with types and mix ratios of PC component.
C. Özel, M. Koru, Y. Bayram, Mineral ve Fiber İçeren Polimer Betonların Plaka Sıcaklıklarına Bağlı Isı İletkenlik Katsayılarının İncelenmesi
1. Giriş
daha ucuz olduğundan dolayı yaygın olarak faz
malzemeleri kullanılmamaktadır.
Polimerler, monomer denilen kimyasal ünitelerden
meydana gelen, zincirler şeklinde bir yapıya sahip
olan sentetik malzemelerdir. Doğada var olan bu
malzemelerin başlıcaları; kömür, ham petrol, su, hava
ve kireçtir (Hazer, 1993). Yapay olarak da elde
edilebilen organik polimerik malzemeler ise
plastikler, elastomerler ve fiberlerdir. Polimerler;
yapay polimerler ve doğal polimerler olarak iki gruba
ayrılır (Pişkin, 2010). Polimerin, kelime anlamı çok
parçalıdır. Bir polimer malzeme, kimyasal olarak
birbirine bağlı birçok parça veya birimi içeren bir katı
olarak veya başka bir deyişle birbirine bağlanarak bir
katı meydana getiren parçalar veya birimler olarak
düşünülebilir. Polimerler, en basit tanımıyla çok
sayıda aynı veya farklı atomik grupların kimyasal
bağlarla az veya çok düzenli bir biçimde bağlanarak
oluşturduğu uzun zincirli yüksek molekül ağırlıklı
bileşiklerdir. Plastik malzeme olarak da bilinen suni
polimerler, son 40-50 yıl içinde büyük gelişme
göstererek günümüzde hacim olarak metallerle
hemen hemen eşit oranda kullanılmaya başlanmıştır
(Öztürk, 2013).
Polimer kompozitlerin diğer malzemelere göre düşük
yoğunlukları, yüksek işlenebilirlik, yüksek korozyon,
oksidasyon ve kimyasal dirençleri, kısa kür süresi,
yüksek basınç-eğilme ve çekme mukavemetleri,
darbe direnci donma-çözünme dayanıklılığı vb.
avantajlarının yanı sıra sünme, termal dengesizlik ve
sınırlı üretim teknikleri dezavantajı oluşturur
(Weber, 2001; Garas, and Vipulanandan, 2004;
Mishra et. all., 2011; Lokuge and Aravinthan, 2012;
Mishra and Satapathy, 2013).
Genelde polimerlerde kristal ve amorf bölgeler bir
arada bulunmaktadır. Kristal bölgeler malzemeye
sertlik ve kırılganlık, buna karşılık amorf bölgeler
malzemeye tokluk verir. Dolayısıyla malzemenin
kristalinite derecesi mekanik özelliklerinde çok
önemlidir. Düzenli yapılar ya da lineer zincirler
kristal oluşumunu kolaylaştırır. Moleküller arası
çekim kuvvetleri de kristaliniteyi arttırmaktadır.
Polimerlerin termal özellikleri onların erime ve camsı
geçiş sıcaklıkları ile tanımlanır. Polimer zincirleri
camsı geçiş sıcaklığının altında donmuş bir yapıda
camsı geçiş sıcaklığının üzerinde ise kauçuksu
durumdadır. Bu sıcaklıkları yan gruplar ya da zincirin
sertliği belirlemektedir (Baysal,1981). Polimerlerdeki
enerji transferi polimer zincir moleküllerinin
titreşimi ile mümkündür. Isıl iletim değerinin
büyüklüğü de polimerin kristallenme derecesine
bağlıdır; yüksek kristallenme derecesine ve düzenli
dizilişe sahip bir polimerin ısıl iletkenliği eşdeğer
amorf malzemeden daha fazladır. Bunun nedeni,
yüksek
kristallenme
derecesinde,
molekül
zincirlerinin daha koordineli şekilde titreşim hareketi
yapabilmeleridir (Okay, 2003; Doğan, 2014).
Polimer malzemeler (plastik malzemeler), eski
çağlardan beri kullanılagelmektedirler. Endüstriyel
uygulamalardaki ilk basamak; doğal kauçuk, selüloz,
nişasta, bitüm, ahşap amber, boynuz gibi doğal
polimerik
maddelerin
kullanılmasıdır.
Doğal
polimerik ham maddenin işlenmesindeki zorluklar ve
ürünlerin mekanik ve fiziksel özelliklerinin yetersiz
olması nedeniyle doğal polimerler yerlerini tarihsel
gelişim içinde modifiye edilmiş doğal polimerlere,
diğer bir ifade ile yarı sentetik polimerlere
bırakmışlardır (Pişkin, 2010).
Polimerler, malzeme yapılarından kaynaklanan
avantajları sayesinde günümüzde birçok doğal ve
yapay malzemelerin yerini almaktadır. Polimerler
günümüzde mühendislik (makine-maden-inşaat
mühendisliği) ve ulaşım (otomotiv-uçak-gemi-uzay
araçları) gibi sektörlerden, ev eşyası, sağlık,
haberleşme vb. sektörlere kadar birçok alanda artan
oranlarda kendine uygulama alanı bulmasına karşılık,
özellikle yalıtım, dayanım ve hafiflik gibi
özelliklerinden dolayı yapı malzemeleri sektöründe
polimerlerin önemi her geçen gün hızla artmaktadır.
Bugün dünyada üretilen polimerlerin yaklaşık %30’u
her sene inşaat mühendisliği ve yapı endüstrisinde
kullanılmaktadır (Kazancı, 2010).
Yapıların insan yaşamının gerektirdiği her türlü
konfor koşullarına sahip olması yapısal tasarımında
birincil işlevlerden birisidir. Isıl sorunların öncelikli
önemi doğal çevre ile yapma çevre (mekân) arasında
ayırıcı bir yapı elemanının varlığını gerektirir. Mekân
dışında kalan doğal atmosfer, mevsim, gece-gündüz,
coğrafi enlem, yön ve benzeri parametrelere bağlı
olarak ısıl yönden sürekli değişik bir karakter
gösterir. Böyle bir değişkenlik içerisinde insanın
kendisini dış etkilerden koruyabilmesi, sağlıklı bir
şekilde yaşayabilmesi için gerekli konfor koşullarını
en iyi düzeyde sağlamalıdır. Bu gereklilik mekan
elemanları ve ilave enerjiyle sağlanır. Yaz-kış ve gecegündüz arasındaki ısıl farklılıklar yapı tasarımında
veri oluşturan tasarım parametrelerinden biridir.
Soğuk dönemde mekanı sıcak tutmak, sıcak dönemde
de mekanı serin tutabilmek için gerekli enerjiyi en az
düzeyde tutabilecek uygun tasarlanmış elemanlara ve
malzemelere gereksinim vardır. Ancak iki mekan
arasında bir sıcaklık farkı oluştuğunda da aradaki
ayırıcı elemanda önemli ısıl sorunların ortaya
çıkacağı bilinmelidir (Toydemir vd., 2004).
Metal, ahşap ve beton gibi çeşitli malzemelere
alternatif olarak, farklı endüstriyel uygulamalara göre
polyesterin çeşitli tipleri (Sınıf I; korozif ve oksitleyici
olmayan mineral asitlere az dayanıklı, Sınıf II;
izoftalik tip, Sınıf I’e göre daha dayanıklı, Sınıf III;
korozif çözeltilere karşı dayanıklı bisfenol-A esaslı
reçineler) ile polimer kompozitler üretilmektedir.
Polimer kompozitlerin performans özelliklerinin
geliştirilebilmesi ve/veya reçineye göre kısmi olarak
29
C. Özel, M. Koru, Y. Bayram, Mineral ve Fiber İçeren Polimer Betonların Plaka Sıcaklıklarına Bağlı Isı İletkenlik Katsayılarının İncelenmesi
Isı transferi genellikle sabit durum, yani sabit iç ve dış
sıcaklıklar için hesaplanır. Gerçekte dış sıcaklıklar
gün boyunca hissedilir ölçüde, yıl boyunca da oldukça
büyük değişimler göstermektedir. Eğer özel aygıtlarla
çözüme gidilmemişse iç sıcaklığında pratikte sabit
kalması imkansızdır. Yaz aylarında terasların ve dış
duvarların güneş yönündeki konumlarına göre dış
yüzeylerinin sıcaklıkları, dış havanın sıcaklığından
oldukça fazla olur. Sıcaklık yükselmeleri ve düşüşleri
de aynı oranda büyük olur. Her yapının dış
duvarlarının sürekli etkisi altında bulunduğu
periyodik ısınma ve soğuma olaylarının değişimi,
verimli ısı yalıtım tabakalarıyla ancak sınırlanabilir
fakat hiçbir zaman tümüyle engellenemez. Bu değişim
çeşitli konstrüksiyonlarda belli etkiler bırakır ve
hacimlerini, şekillerini, hareket etmelerini ve
hareketsiz konstrüksiyonlarda gerilimlerini belirler.
Teras çatıların ısı yalıtılmış taşıyıcı konstüksiyonların
aksine dış duvarlar çoğunlukla direkt olarak
kolaylıkla etkilenebilirler. Bu nedenle modern
yapılarda duvar inşasında oldukça farklı malzemeler
kullanılır. Sıcaklık etkileri (özellikle sıcaklık değişimi)
izotrop ve anizotrop form değişikliklerine, böylece
her tür yapı elemanının yapısında bozulmalara neden
olduklarından yıpranma olaylarının en belirleyici
nedenlerinde sayılırlar (Özer, 1982).
farklı matris malzemesi (folik asit bazlı, tiksotropik
dolgu tipi polyester ve Bisfenol A Epoksi Viniliester
reçine) ve iki farklı faz malzemesi (mineral “standart
CEN kumu” ve fiber “polipropilen lif”) kullanılarak
polimer beton serileri üretilmiştir.
Polimer beton üretiminde faz malzemesi oranları,
işlenebilirlik ve mekanik özellikler göz önüne
alınarak daha önceki çalışmalara göre seçilmiştir
(Soykan, 2012; Topsakal, 2013). Polyester matrisli
seride %0, %30 ve %60 mineral faz malzeme oranı,
vinilester matrisli seride %0, %15 ve %30 mineral
faz malzeme oranı kullanılarak numuneler
üretilirken, polipropilen faz malzeme oranı polyester
ve vinilester matrisli seride %0, %4.5 ve %9 olarak
kullanılmıştır (Şekil 2).
Betonlar istenilen şeklin kolay verilebilmesi, yerel
imkanlarla üretilebilmesi, mukavemet özelliklerinin
tasarım bileşenleri ile düzenlenebilmesinden dolayı
yapıda en yaygın olarak kullanılan kompozit
malzemelerdir. Polimer beton ise, üretiminde
bağlayıcı ve matris malzeme olarak polimer (sentetik
reçine),
katkılar
(sertleştirici,
katalizör,
plastikleştirici, silane birleştirme ajanları) ve dağılı
faz halinde agrega ve/veya fiber malzemeler bulunan
kompozit yapı malzemesidir (Şekil 1) (Sytec, 2014).
Şekil 2. Üretilen polimer betonların bileşen oranları
ve uygulanan sıcaklık dereceleri
Polimer beton üretiminde matris ve faz
malzemelerine ilave olarak polimerin reaksiyonu
tamamlaması için sertleştirici olarak MEKP (metil,
etil, keton ve peroksit) ve hızlandırıcı olarak organik
peroksit
(Kobalt)
kullanılmıştır.
Kullanılan
kimyasallara ait özellikler Çizelge 1’de verilmiştir.
Polmer Beton
Agrega, Fiber
Sentetik Reçine
Çizelge 1. Matris olarak kullanılan reçine ve
katkıların özellikleri (Poliya, 2013)
Diğer Katkılar
TEST
Şekil 1. Polimer betonun ana bileşenleri (Sytec,
2014)
Bu çalışmada, polimer betonların ısı iletim katsayıları
belirlenmiş ve farklı plaka sıcaklıklarında ısı iletim
katsayısının değişimi incelenmiştir. Bu amaçla iki
30
MEKP
Kobalt
Şeffaf
Renksiz
1,17
gr/cm3
Asit
Değeri
1.044
gr/cm3
9 mg
KOH/gr
Mavi –
menekşe
0.92
gr/cm3
-
-
Viskozite
1450 cp
400 cp
Jel Süresi
Monomer
Oranı
Parlama
Noktası
Aktif
Oksijen
Peroksit
İçeriği
SADT
Sıcaklığı
16’
N/A
25
mPa.s
-
300
mPa.s
-
%33
%42
-
-
34 °C
-
-
62 oC
-
-
-
-
-
-
Yoğunluk
2. Malzeme ve Metot
Bisfenol-A
Epoksi
Viniliester
Açık Gri,
Opak
1.353
gr/cm3
11 mg
KOH/gr
Renk
Bu çalışmada yüksek mekanik özelliklere sahip olan
mineral ve fiber faz malzemeli polimer betonların ısı
iletim katsayılarının faz ve matris malzeme tipi ve
oranına göre ısı iletkenlik değerlerinin değişimi
incelenmiştir. Polimer betonların yapıda kullanımı
sırasında farklı hava sıcaklık etkilerine maruz
kalabileceğinden ısı iletim katsayıları farklı
sıcaklıklara göre belirlenmiştir.
Dolgu tipi
polyester
% 9.8% 10
% 34 % 36
≈ 60 °C
> 150 oC
C. Özel, M. Koru, Y. Bayram, Mineral ve Fiber İçeren Polimer Betonların Plaka Sıcaklıklarına Bağlı Isı İletkenlik Katsayılarının İncelenmesi
Üretilen numuneler üzerinde, Şekil 2’den görüleceği
gibi beş farklı sıcaklık düzeyi için ısı iletkenlik
değerleri belirlenmiştir. Isıl iletkenlik katsayısının
belirlenmesi için “Heat Flow Meter, (HFM) Fox 314”
cihazı kullanılmıştır (Şekil 3). Isı iletkenlik katsayısı
TS EN 12664 (2009), TS EN 12667 (2003) ve
ASTM C518 (2003)’e göre belirlenmiştir. Deneylerde
kullanılan soğuk ve sıcak plakanın sıcaklık değerleri
Çizelge 2’de verilmiştir.
ΔT
Soğuk (üst)
Plaka
Üst Plaka
Test Numunesi
Alt Plaka
Numune
L
Sıcak (alt)
Plaka
Şekil 3. Isı iletkenlik cihazı (Anonim, 2005)
Şekil 4. Polyester matris+mineral faz malzemeli
polimer betonların plaka sıcaklığına ve mineral
içeriğine bağlı ısı iletim katsayısının değişimi
Çizelge 2. Sıcak ve soğuk plaka için sıcaklık değerleri
Ortalama
Sıcak plaka
Soğuk plaka
sıcaklık
(En büyük sıcaklık,
(En küçük
oC)
(oC)
sıcaklık, oC)
-10
0
-20
10
20
0
20
30
10
30
40
20
50
60
40
Polyester matrisli fiber faz malzemeli polimer
betonların fiber oranına bağlı ısı iletkenlik
değerlerinin değişimi Şekil 5’de verilmiştir. Fiber
oranının artmasıyla tüm sıcaklık değerleri için ısı
iletkenlik katsayısında mineral faz malzemelide
olduğu gibi artış elde edilmesine rağmen ısı iletkenlik
katsayısı artış oranları (%21-%39) mineral
4. Araştırma Bulguları
Üretilen polyester matrisli mineral faz malzemeli
polimer betonların mineral oranına bağlı ısı iletkenlik
değerlerinin değişimi Şekil 4’de verilmiştir. Mineral
oranının artmasıyla tüm sıcaklık değerleri için ısı
iletkenlik katsayısında belirgin artış elde edilmiştir
(%125-%267). Faz malzemesiz polimer betona göre
ısı iletkenlik değerlerinde en fazla artış %30 mineral
içeren polimer betonda meydana gelmiştir (%125%247). %60 mineral içeren polimer betonda %30
mineral içeren polimer betona göre (%30 daha fazla
mineral içermesine rağmen) ise %6-%16 oranında
daha yüksek ısı iletim katsayısı elde edilmiştir. Faz
malzemesi içermeyen serinin ısı iletkenlik değeri ile
plaka sıcaklıklarının değişimi arasında paralel bir
ilişki olmasına rağmen (düşük plaka sıcaklıklarında
düşük ısı iletim katsayısı), mineral içeren her iki
seride plaka sıcaklık değerleri arttıkça ısı iletim
katsayısı değerlerinde azalma elde edilmiştir.
Şekil 5. Polyester matris+fiber faz malzemeli polimer
betonların plaka sıcaklığına ve mineral içeriğine bağlı
ısı iletim katsayısının değişimi
31
C. Özel, M. Koru, Y. Bayram, Mineral ve Fiber İçeren Polimer Betonların Plaka Sıcaklıklarına Bağlı Isı İletkenlik Katsayılarının İncelenmesi
malzemeli serilere göre oldukça düşüktür. %4.5 fiber
içeren betonların ısı iletkenlik katsayısı değerleri faz
malzemesiz
polimer
betona
göre
plaka
sıcaklıklarından önemli derecede etkilenmeden
artarken (%21-%23 arasında) artarken, %9 fiber
içeren polimer betonda %4.5 fiber içeren polimer
betona göre ise %8-%14 oranında daha yüksek ısı
iletim katsayısı elde edilmiştir. Faz malzemesi
içermeyen serinin ısı iletkenlik değeri ile plaka
sıcaklıklarının değişimi arasında paralel bir ilişki
vardır ve fiber oranının artması bu ilişkiyi
bozmamaktadır (düşük plaka sıcaklıklarında düşük
ısı iletim katsayısı).
Vinilester matrisli fiber faz malzemeli polimer
betonların fiber oranına bağlı ısı iletkenlik
değerlerinin değişimi Şekil 7’de verilmiştir. Fiber
oranının artmasıyla tüm sıcaklık değerleri için ısı
iletkenlik katsayısında diğer tüm serilerde olduğu
gibi artış elde edilmiştir. Ancak artış oranları diğer
serilerden (%1-%18) oldukça düşüktür. Yani diğer
serilerde özellikle mineralli serilerde ısı iletkenlik
katsayısı faz malzeme oranının artışıyla yüksek
derecede etkilenip artarken, bu seri ısı iletkenlik
katsayısı değeri faz malzeme oranı artışından en az
etkilenen seridir. %4.5 fiber içeren betonların ısı
iletkenlik katsayısı değerleri faz malzemesiz polimer
betona göre düşük oranlarda (%1-%7 arasında)
artarken, %9 fiber içeren polimer betonda %4.5 fiber
içeren polimer betona göre ise polyester matrisli
serideki artış oranlarına benzer olarak %10-%13
oranında daha yüksek ısı iletim katsayısı elde
edilmiştir. Faz malzemesi içermeyen serinin plaka
sıcaklığına göre ısı iletkenlik değeri sıralaması fiber
oranının artması ile bu seride de değişmemektedir.
Vinilester matrisli mineral faz malzemeli polimer
betonların mineral oranına bağlı ısı iletkenlik
değerlerinin değişimi Şekil 6’da verilmiştir. Mineral
oranının artmasıyla tüm sıcaklık değerleri için ısı
iletkenlik katsayısında polyester matrisli serilerde
olduğu gibi artış elde edilmiştir. Ancak artış oranı
polyester matrisli serilere göre daha düşüktür
(%117-%148). Faz malzemesiz polimer betona göre
ısı iletkenlik değerlerinde artışın nerdeyse tamamı
%15 mineral içeren polimer betonda meydana
gelmiştir (%117-%135). %30 mineral içeren polimer
betonda %15 mineral içeren polimer betona göre ise
%0.4-%11 oranında daha yüksek ısı iletim katsayısı
elde edilmiştir. 50 oC sıcaklık için %15 mineral içeren
seri ile %30 mineral içeren seri arasında ısı iletkenlik
katsayısı artışı tüm seriler içinde en düşük değerdir
(%0.4). Faz malzemesi içermeyen serinin ısı
iletkenlik değeri ile plaka sıcaklıklarının değişimi
arasında paralel bir ilişki vardır ve mineral oranının
artması bu ilişkiyi bozmamaktadır (düşük plaka
sıcaklıklarında düşük ısı iletim katsayısı).
Şekil 7. Vinilester matris+fiber faz malzemeli polimer
betonların plaka sıcaklığına ve mineral içeriğine bağlı
ısı iletim katsayısının değişimi
Matris malzemesinin ısı iletim katsayısı değeri
üzerindeki etkisi Şekil 8 ve 9’da verilmiştir. Her iki
şekilden de görüleceği gibi polyester matrisli polimer
betonların ısı iletkenlik katsayıları vinilesterli serilere
göre daha yüksektir (faz malzemesiz seri için %7.2%8.0; %4.5 fiberli seri için %18.6-%22.1; %9 fiberli
seri için %17.3-%23.4). %30 ve %60 mineral içeren
polyester matrisli serilerin ısı iletkenlik katsayısı
artan plaka sıcaklığı ile azalırken (-10 oC’ye göre %30
mineral için %16.4-%20.4 oranında; %60 mineral
için %8.8-%13.4 arasında), diğer tüm faz malzemesiz,
mineral ve fiber içeren polimer beton serilerinde
artmaktadır.
Şekil 6. Vinilester matris+mineral faz malzemeli
polimer betonların plaka sıcaklığına ve mineral
içeriğine bağlı ısı iletim katsayısının değişimi
32
C. Özel, M. Koru, Y. Bayram, Mineral ve Fiber İçeren Polimer Betonların Plaka Sıcaklıklarına Bağlı Isı İletkenlik Katsayılarının İncelenmesi
serilerde daha yüksek ısı iletim katsayısı değeri elde
edilmiştir. Hatta %4.5 fiber içeren vinilester reçineli
betonun ısı iletkenlik katsayısı faz malzeme
içermeyen polyester matrisli polimer betondan daha
düşüktür.
5. Tartışma ve Sonuç
Yüksek mukavemet ve durabilite özelliklerinden
dolayı son yıllarda kullanımı her geçen gün
yaygınlaşan polimer betonların plaka sıcaklıklarına
ve faz ve matris malzemesi tipi ve oranına göre ısı
iletim katsayısının incelendiği bu çalışmada üretilen
tüm betonların ısı iletim katsayısı (0.07513-0.3000
W/mK) TS 825 (2013)’de verilen normal betonun
“(TS 500’e uygun) doğal agrega veya mıcır
kullanılarak yapılmış donatısız betonlar için 1.65
W/mK” ısı iletim katsayısı değerlerinde oldukça
düşüktür.
Polimer betonların ısı iletim katsayısı, polimer
kompoziti oluşturan matris ve faz malzemesi türü ile
faz malzemesi oranına göre değişmektedir. Faz
malzeme oranı artışı ile polimer betonun ısı iletim
katsayısı artmaktadır. Tüm numunelerde ara değer
olarak kullanılan faz malzeme oranlarında
(polyester+%30
Mineral,
polyester
veya
vinilester+%4.5 fiber, vinilester+%15 mineral) ısı
iletim katsayılarında en yüksek artış oranları elde
edilmiştir. Bu değerlerden sonra aynı oranlarda faz
malzemesi kullanılmış olmasına rağmen değişim
oranı çok daha sınırlı ve azdır.
Hacimsel kullanım oranının da (mineralde %60,
fiberde %9) etkisinin yanı sıra, kullanılan mineralin
ısı iletkenlik katsayısı “TS 825 (2013)’e göre hava
kurusu durumda 0.7 W/mK” ve polipropilenin ısı
iletkenlik katsayısı nedeniyle “0.12 W/mK (Doğan,
2014)” mineral faz malzemesi ile %267’ye kadar ısı
iletim katsayısı artarken, polipropilen fiber
kullanımında en fazla %39’da kalmıştır.
Şekil 8. Mineral içeren polimer betonların matris
malzemesi tipi ve plaka sıcaklıklarına göre ısı iletim
katsayısının değişimi
Şekil 8’de görüldüğü gibi faz malzemesiz
malzemelerin ısı iletkenlik katsayısı değerleri
birbirine paralel ve yakın değerde iken mineral faz
malzeme oranı artışıyla ısı iletkenlik değerlerinde
yükselme elde edilmiştir.
Matris malzemesi olarak polyesterin kullanıldığı
serilerde vinilesterli serilere göre %7.2-23.4 daha
yüksek ısı iletkenlik katsayısı elde edilmiştir.
Isı iletim katsayısının belirlenmesinde plaka
sıcaklıklarından dolayı polimer betonların ısı
iletkenlik katsayılarında %34’e kadar değişkenlik
elde edilmiştir. Bu değişkenlik genel olarak (8
polimer betonda) plaka sıcaklıkları arttıkça ısı iletim
katsayısı değerlerinde artış şeklindedir ki bu sonuçlar
Abdou ve Budaiwi (2005) ve Gnip vd., (2012)
tarafından verilen sonuçlarla uyumludur. Ancak
polyester+mineral karışımlı polimer betonlarda tam
tersi bir sonuç elde edilmiş plaka sıcaklığının
artmasına karşılık ısı iletim katsayısı değerlerinde
%20.4’e kadar azalmalar elde edilmiştir. Yapı
malzemelerinin değişken karışım bileşenlerinde ve
değişken sıcaklıklara maruz kaldığı düşünüldüğünde
bu değişkenliklerin bina ısı kaybı hesaplarında göz
önüne alınması gerekmektedir.
Şekil 9. Fiber içeren polimer betonların matris
malzemesi tipi ve plaka sıcaklıklarına göre ısı iletim
katsayısının değişimi
Polyesterli serilerde daha yüksek oranda mineral
kullanılmasına karşılık Şekil 9’da görüldüğü gibi aynı
oranda fiber kullanıldığı durumda da polyesterli
33
C. Özel, M. Koru, Y. Bayram, Mineral ve Fiber İçeren Polimer Betonların Plaka Sıcaklıklarına Bağlı Isı İletkenlik Katsayılarının İncelenmesi
of Glass Microsphere Filled Polymer Composites,
Plastic and Polymer Technology (PAPT) 2 (2), 39-47
Teşekkür
Okay, O., 2003. Polimerik Malzemelerin Bugünü ve
Yarını, http://web.itu.edu.tr/okayo/Davetli_okay.pdf
(Erişim Tarihi: 29.12.2013).
Bu çalışmayı 3857-YL1-14 Numaralı Proje ile maddi
olarak destekleyen Süleyman Demirel Üniversitesi
Bilimsel Araştırma Projeleri Yönetim Birimi
Başkanlığına teşekkür ederiz.
Özer, M., 1982. Yapılarda Isı-Su Yalıtımları. Özer
Yayınları, İstanbul, 336 s.
Kaynaklar
Öztürk M., 2013 Polimerle Modifiye Edilmiş Hafif
Betonun Bazı Fiziksel ve Mekanik Özelliklerinin
Araştırılması, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen
Bilimleri Enstitüsü, İnşaat Mühendisliği Anabilim
Dalı, Yüksek Lisans Tezi, 67s., Trabzon
Abdou, A. A., Budaiwi, I. M., 2005. Comparison of
Thermal Conductivity Measurements of Building,
Journal of Building Physics, 29; 171-184.
Anonim, 2005, Introduction Heat Flow Meter (HFM)
Apparatus
(H3: Thermal Conductivity and
Resistance), http://www.engr.usask.ca/departments
/mee/facilities/files/ME%20318%20-%20H3%2020
06.pdf (Erişim Tarihi: 02.01.2014).
Pişkin A., 2010. Polimer Beton Üretiminde Cam Tozu
Kullanımının Araştırılması, Sakarya Üniversitesi, Fen
Bilimleri Enstitüsü, Yapı Eğitimi Anabilim Dalı,
Yüksek Lisans Tezi, 89s. Sakarya
ASTM C518, 2003. Standard Test Method for SteadyState Thermal Transmission Properties by Means of
the Heat Flow Meter Apparatus, American Society for
Testing and Materials, Philadelphia, Pa.,15 p.
Baysal B., 1981. Polimer Kimyası Cilt
Polimerizasyon Reaksiyonu, ODTÜ, Ankara, 336s.
Poliya,
2013.
Poliya
Teknik
Bülten.
http://www.poliya.com/tr/support/documents/#pdf
(Erişim Tarihi: 28.01.2013).
Soykan, O., 2012. Polyester Esaslı Taneli
Kompozitlerin (Mermerit) Bazı Fiziksel ve Mekanik
Özelliklerine Bileşenlerinin Etkisi, SDÜ Fen Bilimleri
Enstitüsü Yapı Eğitimi Anabilim Dalı, Yüksek Lisans
Tezi, 118 s., Isparta
1
Doğan, Ü. A., 2014. Termal Özellikler,http://akademi.
itu.edu.tr/doganunal/DosyaGetir/94932/Termal%2
0Ozellikler.pdf (Erişim Tarihi: 15.04.2014).
Sytec, 2014. Modern Construction Material - Polymer
Concrete, http://www.sytec.pl/en/polimerobetonen.php#zastosowanie-polimerobetonu,
(Erişim
Tarihi: 21.03.2014).
Garas, V. Y., Vipulanandan, C., 2004. Review of
Polyester Polymer Concrete Properties. Construction,
Geotechnical and Flooding Issues Related to Houston
& Other Major Cities (CIGMAT), March 5, Texas, 3 p.
Gnip, I., Vejelis, S., Vaitkus, S., 2012. Thermal
conductivity of expanded polystyrene (EPS) at 10 oC
and its conversion to temperatures within interval
from 0 to 50 oC, Energy and Buildings, 52, 107–111.
TS EN 12664, 2009. Yapı malzemeleri ve mamulleri Isıl direncin, korumalı tablalı ısıtıcı ve ısı akı ölçerin
kullanıldığı metotlarla tayini - Isıl direnci orta ve
düşük seviyede olan kuru ve rutubetli mamuller,
Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, 58 s.
Hazer B., 1993. Polimer Teknolojisi, KTÜ Matbaası,
Trabzon, 156 s.
TS 825, 2013. Binalarda ısı yalıtım kuralları. Türk
Standardları Enstitüsü, Ankara, 83 s.
Kazancı, A., 2010. Polimer Schiff Bazları ve Metal
Komplekslerinin Sentezi ve Katalizör Özelliklerinin
İncelenmesi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri
Enstitüsü, Kimya Anabilim Dalı, Doktora Tezi, 108
sayfa, Isparta
TS EN 12667, 2003. Yapı malzemeleri ve
mamullerinin ısıl performansı-Mahfazalı sıcak plaka
ve ısı akış sayacı metotlarıyla ısıl direncin tayiniYüksek ve orta ısıl dirençli mamuller, Türk
Standardları Enstitüsü, Ankara, 47 s.
Lokuge, W.P., Aravinthan, T., 2012. Mechanical
properties of polymer concrete with different types
of resin, 22nd Australasian Conference on the
Mechanics of Structures and Materials (ACMSM 22):
From Materials to Structures: Advancement Through
Innovation, 11-14 Dec., Sydney, Australia, 6 p.
Topsakal, A., 2013. Polimer Betonların Bazı Durabilite
Özelliklerinin İncelenmesi, SDÜ Fen Bilimleri
Enstitüsü Yapı Eğitimi Anabilim Dalı, Yüksek Lisans
Tezi, 141 s., Isparta
Toydemir, N., Gürdal, E., Tanaçan L., 2004, Yapı
Elemanı Tasarımında Malzeme, Literatür Yayıncılık,
İstanbul, 380 s.
Mishra, D., Mohapatra, L., Satapathy, A., Patnaik, A.,
2011. Determination of Thermal Conductivity of
Polymer Composites Filled with Solid Glass Beads,
International Conference on Advancement in
Polymeric Materials, March 25th to 27th, CIPET,
Chennai, 1-12.
Weber, E. H., 2001. Development and Modeling of
Thermally Conductive Polymer/Carbon Composites,
Michigan
Technological
University,
Chemical
Engineering, Doctor of Philosophy, 278 p., Houghton,
Michigan.
Mishra, D., Satapathy, A., 2013. Development of
Theoretical Model for Effective Thermal Conductivity
34